传感器论文现代传感器的特点与用途

1、传感器课程论文课程名称：现代传感器的特点及用途学校：南京信息工程大学学院：电子和信息工程学院专业：电子信息工程系姓名：学号：日期： 2010年12月19日 现代传感器的特点及用途摘要：本学期我学习了传感器和检测技术， 通过一段时间的学习，从中了解到了 许多以前不知道的事情，以下是自己通过老师的讲解所获得的一点感受。传感器技术是现代科技的前沿技术， 是现代信息技术的三大支柱之一，其 水平高低是衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。传感器产业也是国内外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。革开放20多年来，我国的传感器技术及其产业取

2、得了长足进步， 主要表现在：一是建立了“传 感技术国家重点实验室”、“微米/纳米国家重点实验室”、“国家传感 技术工程中心”等研究开发基地； 二是MEMSMOEM等研究项目列入了国 家高新技术发展重点；三是在“九五”国家重点科技攻关项目中， 传感器 技术研究取得了 51个品种86个规格的新产品；四是初步建立了敏感元件 和传感器产业，2000年总产量超过13亿只，品种规格已有近6000种， 并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定使用。关键词：感受 重要标志 传感器产业 高技术产业 发展前途目录1. 微型化（Micro ） 41.1由计算机辅助设计（CAD ）技术和微机电系统（MEMS ） 4技

3、术引发的传感器微型化1.2微型传感器使用现状52. 智能化（Smart） .52.1智能化传感器的特点52.2智能化传感器的发展和使用现状63. 多功能传感器（Multifunction3.1多功能传感器的执行规则和结构模式 73.2多功能传感器的研制和使用现状84. 无线网络化（wireless networked ） .94.1传感器网络94.2传感器网络研究热点问题和关键技术 104.3传感器网络的使用研究105. 结语 .131.微型化（Micro ）为了能够和信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技 术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏性等

4、） 的要求越来越严格；和此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程， 因此还要求传感器必须配有标准的输出模式； 而传统的大体积弱功能传感器往往 很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取 代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本 低等优点。1.1由计算机辅助设计（CAD ）技术和微机电系统（MEMS ）技术引发的传 感器微型化目前，几乎所有的传感器都在由传统的结构化生产设计向基于计算机辅助设 计（CAD ）的模拟式工程化设计转变，从而使设计者们能够在较短的时间内设 计出低成本、高性能的新型系统，这种设计手段的巨大转变在很大程度上推动

5、着 传感器系统以更快的速度向着能够满足科技发展需求的微型化的方向发展。对于微机电系统（MEMS ）的研究工作始于20世纪60年代，其研究范畴 涉及材料科学、机械控制、加工和封装工艺、电子技术以及传感器和执行器等多 种学科，是一个极具前景的新兴研究领域。MEMS的核心技术是研究微电子和 微机械加工和封装技术的巧妙结合，期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。经过几十年的发展，尤其最近十多年的研究和发展， MEMS技术 已经显示出了巨大的生命力，此项技术的有效采用将信息系统的微型化、 智能化、 多功能化和可靠性水平提高到了一个新的高度。 在当前技术水平下，微切削加工 技术已经可以生产出来

6、具有不同层次的 3D微型结构，从而可以生产出体积非常 微小的微型传感器敏感元件，象毒气传感器、离子传感器、光电探测器这样的以 硅为主要构成材料的传感/探测器都装有极好的敏感元件1，2。目前，这一类 元器件已作为微型传感器的主要敏感元件被广泛使用于不同的研究领域中。1.2微型传感器使用现状就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大量不同使用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响；目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量， 如位移、速度/加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等2.智能化(

7、Smart)智能化传感器(Smart Sensor )是20世纪80年代末出现的另外一种涉及 多种学科的新型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重 视，尤其在探测器使用领域，如分布式实时探测、网络探测和多信号探测方面一 直颇受欢迎，产生的影响较大。2.1智能化传感器的特点智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。这一类传感器就相当于是微型机和传感器的综合体一样，其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及 微型机的硬件设备。如智能化压力传感器，主传感器为压力传感器，用来探测压 力参数，辅助传感器通常为温度传感

8、器和环境压力传感器。采用这种技术时可以 方便地调节和校正由于温度的变化而导致的测量误差，而环境压力传感器测量工作环境的压力变化并对测定结果进行校正；而硬件系统除了能够对传感器的弱输 出信号进行放大、处理和存储外，还执行和计算机之间的通信联络。通常情况下，一个通用的检测仪器只能用来探测一种物理量， 其信号调节是 由那些和主探测部件相连接着的模拟电路来完成的；但智能化传感器却能够实现所有的功能，而且其精度更高、价格更便宜、处理质量也更好。和传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优点：1 智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节，能够对所测的数值及其误差进行补偿，而且还能够进行逻辑思考和结论判

9、断， 能够借助于一览表 对非线性信号进行线性化处理，借助于软件滤波器滤波数字信号。 此外，还能够 利用软件实现非线性补偿或其它更复杂的环境补偿，以改进测量精度。2 智能化传感器具有自诊断和自校准功能，可以用来检测工作环境。当工作环境临近其极限条件时，它将发出告警信号，并根据其分析器的输入信号给出 相关的诊断信息。当智能化传感器由于某些内部故障而不能正常工作时，它能够借助其内部检测链路找出异常现象或出了故障的部件。3 智能化传感器能够完成多传感器多参数混合测量，从而进一步拓宽了其 探测和使用领域，而微处理器的介入使得智能化传感器能够更加方便地对多种信 号进行实时处理。此外，其灵活的配置功能既能够

10、使相同类型的传感器实现最佳 的工作性能，也能够使它们适合于各不相同的工作环境。4 智能化传感器既能够很方便地实时处理所探测到的大量数据，也可以根据需要将它们存储起来。存储大量信息的目的主要是以备事后查询，这一类信息包括设备的历史信息以及有关探测分析结果的索引等；5. 智能化传感器备有一个数字式通信接口，通过此接口可以直接和其所属 计算机进行通信联络和交换信息。此外，智能化传感器的信息管理程序也非常简 单方便，譬如，可以对探测系统进行远距离控制或者在锁定方式下工作，也可以将所测的数据发送给远程用户等。2.2智能化传感器的发展和使用现状目前，智能化传感器技术正处于蓬勃发展时期， 具有代表意义的典型

11、产品是 美国霍尼韦尔公司的ST-3000系列智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度 传感器，以及另外一些含有微处理器（MCU ）的单片集成压力传感器、具有多 维检测能力的智能传感器和固体图像传感器（SSIS ）等。和此同时，基于模糊 理论的新型智能传感器和神经网络技术在智能化传感器系统的研究和发展中的 重要作用也日益受到了相关研究人员的极大重视。指出的一点是：目前的智能化传感器系统本身尽管全都是数字式的，但其通信协议却仍需借助于420 mA的标准模拟信号来实现。一些国际性标准化研究 机构目前正在积极研究推出相关的通用现场总线数字信号传输标准；不过，在眼下过渡阶段仍大多采用远距离总线寻址传感器(

12、HART)协议，即Highway Addressable Remote Tran sducer 。这是一种适用于智能化传感器的通信协议， 和目前使用420mA模拟信号的系统完全兼容，模拟信号和数字信号可以同时 进行通信，从而使不同生产厂家的产品具有通用性。能化传感器多用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量，如美 国霍尼韦尔公司的ST3000系列全智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度 传感器就属于这一类传感器。另外，智能化传感器在空间技术研究领域亦有比较 成功的使用实例6。发展中，智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。可以预见，新兴的智能化传感器将会在关

13、系到全人类国民生的各个领 域发挥越来越大作用。3.多功能传感器(Multifunction )如前所述，通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多使用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境， 往往需要同时测量大量的 物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼 备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其 各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随 着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件 综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。3.1多功能传感器的执行

14、规则和结构模式概括来讲，多功能传感器系统主要的执行规则和结构模式包括：(1) 多功能传感器系统由若干种各不相同的敏感元件组成， 可以用来同时 测量多种参数。譬如，可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起 (即 将热敏元件和湿敏元件分别配置在同一个传感器承载体上)制造成一种新的传感 器，这样，这种新的传感器就能够同时测量温度和湿度。（2） 将若干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中，从而构成 一种高度综合化和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件是被综装在同一块 硅片中的，它们无论何时都工作在同一种条件下， 所以很容易对系统误差进行补 偿和校正。（3）借助于同一个传感器的不同效应可

15、以获得不同的信息。以线圈为例， 它所表现出来的电容和电感是各不相同的。（4）在不同的激励条件下，同一个敏感元件将表现出来不同的特征。而在 电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下，由若干种敏感元件组成的一个 多功能传感器的特征可想而知将会是多么的千差万别！ 有时候简直就相当于是若 干个不同的传感器一样，其多功能特征可谓名副其实。3.2多功能传感器的研制和使用现状多功能传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向，日前有许多学者正在积极从事于该领域的研究工作。如将某些类型的传感器进行适当组合 而使之成为新的传感器，如用来测量流体压力和互异压力的组合传感器。又如， 为了能够以较高的灵敏度和

16、较小的粒度同时探测多种信号，微型数字式三端口传感器可以同时采用热敏元件、光敏元件和磁敏元件；这种组配方式的传感器不但 能够输出模拟信号，而且还能够输出频率信号和数字信号.从目前的发展现状来看，最热门的研究领域也许是各种类型的仿生传感器 了，而且在感触、刺激以及视听辨别等方面已有最新研究成果问世。从实用的角 度考虑，多功能传感器中使用较多的是各种类型的多功能触觉传感器，譬如人造皮肤触觉传感器就是其中之一，这种传感器系统由 PVDF材料、无触点皮肤敏 感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等组成。据悉，美国 MERRITT公司研制开发的无触点皮肤敏感系统获得了较大的成功，其无触点超 声波传

17、感器、红外辐射引导传感器、薄膜式电容传感器、以及温度、气体传感器 等在美国本土使用甚广。和其它方面的研究成果相比，目前在人工嗅觉方面的研究还似乎远远不尽人 意。由于嗅觉元件接收到的判别信号是非常复杂的， 其中总是混合着成千上万种 化学物质，这就使得嗅觉系统处理起这些信号来异常错综复杂。人工嗅觉传感系统的典型产品是功能各异的 Electronic nose (电子鼻),近 10多年来，该技术的发展很快，目前已有数种商品化的产品在国际市场流通， 美、法、德、英等国家均有比较先进的电子鼻产品问世。电子鼻”系统通常由一个交叉选择式气体传感器阵列和相关的数据处理技 术组成，并配以恰当的模式识别系统，具有

18、识别简单和复杂气味的能力，主要用来解决一般情况下的气味探测问题。根据使用对象的不同，电子鼻”系统传感器阵列中传感器的构成材料及配置数量亦有所不同，其中，构成材料包括金属氧化物半导体、导电聚合物、石英晶振等，配置数量则从几个到数十个不等。总之， 电子鼻”系统是气体传感器技术和信息处理技术进行有效结合的高科技产物，其 气体传感器的体积很小，功耗也很低，能够方便地捕获并处理气味信号。 气流经 过气体传感器阵列进入到 电子鼻”系统的信号预处理元件中，最后由阵列响应模 式来确定其所测气体的特征。阵列响应模式采用关联法、最小二乘法、群集法以 及主要元素分析法等方法对所测气体进行定性和定量鉴别。美国Cyra

19、 noscie nces公司生产的Cyra nose 320电子鼻是目前技术较为先进、适用范 围也比较广的嗅觉传感系统之一，该系统主要由传感器阵列和数据分析算法两部 分组成，其基本技术是将若干个独特的薄膜式碳 -黑聚合物复合材料化学电阻器 配置成一个传感器阵列，然后采用标准的数据分析技术，通过分析由此传感器阵 列所收集到的输出值的办法来识别未知分析物。据称，Cyranose 320电子鼻的适用范围包括食品和饮料的生产和保鲜、环境保护、化学品分析和鉴定、疾病诊断和医药分析以及工业生产过程控制和消费品的监控和管理等。4.无线网络化(wireless networked)无线网络对我们来说并不陌生，

20、比如手机，无线上网，电视机。传感器对我 们来说也不陌生，比如温度传感器、压力传感器，还有比较新颖的气味传感器。 但是，把二者结合在起来，提出无线传感器网络( Wireless Se nsor Networks ) 这个概念，却是近几年才发生的事情。这个网络的主要组成部分就是一个个可爱的传感器节点。 说它们可爱，是因 为它们的体积都非常小巧。这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的 增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点和节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器4.

21、1传感器网络传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热 点领域。传感器网络综合了传感器技术、 嵌入式计算技术、现代网络及无线通信 技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监 测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理， 并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。 从而真正实现无处不在的计算理念。传感器网络的研究采用系统发展模式，因 而必须将现代的先进微电子技术、微细加工技术、系统SOC （system-on-chip）芯片设计技术、纳米材料和技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等融合，

22、以实现其微型化、集成化、多功能化及系统化、网络化，特别是实现传感器网络 特有的超低功耗系统设计。传感器网络具有十分广阔的使用前景，在军事国防、 工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程 控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家 军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热 点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。4.2传感器网络研究热点问题和关键技术传感器网络以使用为目标，其构建是一个庞大的系统工程，涉及到的研究工 作和需要解决的问题在每一个层面上都很多。 对无线传感器网络系统结构及界面

23、 接口技术的研究意义重大。如果我们把传感器网络按其功能抽象成五个层次的 话，将会包括基础层（传感器集合）、网络层（通信网络）、中间件层、数据处 理和管理层以及使用开发层。其中，基础层以研究新型传感器和传感系统为核心，包括使用新的传感原理、 使用新的材料以及采用新的结构设计等，以降低能耗、提高敏感性、选择性、响 应速度、动态范围、准确度、稳定性以及在恶劣环境条件下工作的能力。4.3传感器网络的使用研究传感器网络有着巨大的使用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的 技术之一。已有和潜在的传感器使用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发

24、展和完善， 各种传感器网络将遍布我们生活环境，从而真正实现 无处不在的计算”。以下简 要介绍传感器网络的一些使用。(1 )军事使用传感器网络研究最早起源于军事领域，实验系统有海洋声纳监测的大规模传 感器网络，也有监测地面物体的小型传感器网络。 现代传感器网络使用中，通过 飞机撒播、特种炮弹发射等手段，可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不 便于到达的观察区域如敌方阵地内，收集到有用的微观数据；在一部分传感器因 为遭破坏等原因失效时，传感器网络作为整传感器网络体仍能完成观察任务。传 感器网络的上述特点使得它具有重大军事价值，可以使用于如下一些场景中：监测人员、装备等情况以及单兵系统：通过在人员

25、、装备上附带各种传感 器，可以让各级指挥员比较准确、 及时地掌握己方的保存状态。 通过在敌方阵地 部署各种传感器，可以了解敌方武器部署情况，为己方确定进攻目标和进攻路线 提供依据。监测敌军进攻：在敌军驻地和可能的进攻路线上部署大量传感器， 从而及 时发现敌军的进攻行动、争取宝贵的应对时间。并可根据战况快速调整和部署新 的传感器网络。评估战果：在进攻前后，在攻击目标附近部署传感器网络， 从而收集目标 被破坏程度的数据。核能、生物、化学攻击的侦察：借助于传感器网络可以及早发现己方阵地 上的生、化污染，提供快速反应时间从而减少损失。不派人员就可以获取一些核、 生、化爆炸现场的详细数据。(2 )环境使

26、用使用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电 池、无需派人现场维护的优点。通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因 素，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径传感器网络研究在环境监测领域已 经有很多的实例。这些使用实例包括：对海岛鸟类生活规律的观测；气象现象的 观测和天气预报；森林火警；生物群落的微观观测等洪灾的预警：通过在水坝、山区中关键地点合理地布置一些水压、 土壤湿 度等传感器，可以在洪灾到来之前发布预警信息， 从而及时排除险情或者减少损 失。农田管理：通过在农田部署一定密度的空气温度、 土壤湿度、土壤肥料含 量、光照强度、风速等传感器，可以更好地对农田管理微观调控，促进农作物生 长。(3 )家庭使用建筑及城市管理各种无线传感器可以灵活方便地布置于建筑物内，获取室内环境参数，从而为居室环境控制和危险报警提供依据。智能家居：通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传 感器，感知居室不同部分的微观状况， 从而对空调、门窗以及其他家电进行自动 控制，提供给人们智能、舒适的居住环境16。建筑安全：通过布置于建筑物内的图像、声音、气体检测、温度、压力、 辐射等传感器，发现异常事件及时报警，自动启动应急措施。智能交通：通过布置于道路上的速度、识别传感器，监测交通流量等信息， 为出行